Zentrifugalkompressor für Verbrennungsmaschine. Die Erfindung bezieht sich auf Zentri- fugalkompressoren, welche für das Verdich ten von Luft für Verbrennungsmaschinen, wie Luftfahrzeugmascliiinen, benutzt werden, die über einen grossen Höhen- und Drehzahl bereich arbeiten müssen. Bei der Ausbildung eines Zentrifugalkompressors für eine solche Maschine ist es erw ünscbt, dass ihre Charak teristik zu derjenigen der Maschine passt, um einen optimalen Nutzen zu erhalten.
Im Fall einer Kolbenmaschine wird der maximale Nutzen der erhöhten Leistungsabgabe der Ma schine bei grossen Höhen, z. B. 6000 in oder höher, erreicht, indem ein Kompressor von sehr grosser sekundlicher Durehflussmenge vor gesehen wird; eine Erhöhung der sekund lichen Dureliflussmenge jedoch bis zu einem geeigneten Ausmass führt zum Auftreten des Pumpeffektes bei niedrigen Maschinendreh zahlen, infolge der an sieh verschiedenen Strö mungsmenge/ Drehzahl-Charakteristiken eines Zentrifugalverdichters und einer Kolben maschine.
Im Fall einer Gasturbine jedoch sind die Bedingungen insofern umgekehrt., als der Kompressor bestrebt ist, bei hohen Dreh zahlen und grossen Höhen den Pumpeffekt hervorzurufen. In beiden Fällen würde daher ein Kompressor mit veränderlicher sekund licher Durehflussnienge erwünscht sein.
Es ist. aus verschiedenen Gründen vorteil haft, einen Zweistufenkompressor zu benut zen, und eine der Eigenschaften eines Zwei stufenkompressors besteht darin, dass die erste Stufe den Pumpeffekt hei niedrigen Dreh zahlen und auch die maximal mögliche Durch flussmenge bei hohen Drehzahlen beeinflusst, wogegen die zweite Stufe den Pumpeffekt bei hohen Drehzahlen und die maximale Durch flussmenge bei niedrigen Geschwindigkeiten beeinflusst.
Dies ist eine Folge des veränder lichen Dichtverhältnissesund der sich mit der Erhöhung oder Verminderung der Drehzahl des Verdichters ändernden Druek-VOlllillen- Cha.rakteristik der beiden Stufen. Die Erfin dung betrifft demgemäss einen Zweistufen- Zentrifu-alkoinpressor für eine Verbrennungs maschine, welcher Mittel für die Veränderung der sekundlichen Durchflussmenge einer Stufe besitzt, während die andere Stufe keine solche Mittel besitzt.
Bei einer Kolbenmaschine kann die Veränderung in der ersten Stufe des Kompressors erfolgen, wogegen sie bei einer Gasturbine in der zweiten Stufe erfolgen kann.
Vorteilhaft. wird die Veränderung der se kundlichen Durchflussmenge einer Stufe des Kompressors durch Änderung der Durch trittsfläche der Diffusorkanäle bewirkt.
Bei einer Konstruktion kann die Durch trittsfläche geändert. werden, indem jede Schaufel versehwenkt wird, wobei die Schwenk achse jeder Schaufel vorteilhaft im Druelz- zentrum liegt, um das Drehmoment auf die Zapfen und somit die Belastungen in dem Betätigungsgestänge zu verringern. Das Schwenken \ um die vordere Kante jeder Schaufel kann erwünscht sein, um einen kon stanten radialen Abstand zwischen Eintritts kanten der Diffusorschaideln und den Aus trittsenden der Rotorschaufeln aufrechtzuhal- ten.
Andere Arten der Änderung der Durch trittsfläche, wie es nachfolgend beschrieben ist, können auch benutzt werden.
Vorteilhaft kann die Einstellung der se kundlichen Durchflussmenge der veränder lichen Kompressorstufe selbsttätig gemacht sein, indem sie z. B. entweder durch einen Regulator in Abhängigkeit von der Drehzahl des Kompressors gesteuert wird oder durch die Änderung im Kompressionsverhältnis bei Änderung der Drehzahlen.
In den beiliegenden rein schematischen Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Fig.1 ist eine Seitenansicht einer Kolben maschine mit einem Zweistufen-Zentrifugal- kompressor für die Speisung der Zylinder; Fig. 2 stellt eine Gasturbinen-Strahlvor- triebseinheit dar, welche mit einem Zweistu- fen-Zentrifugalkompressor ausgerüstet ist;
Fig. 3, 4 und 5 sind Teilschnitte und zei gen verschiedene Arten der Einstellung der Diffusorleitschaufeln eines Zentrifugalkom- pressors; Fig.6 zeigt schematisch eine Einrichtung zur Betätigung der einstellbaren Leitschau- feln; Fig. 7 ist ein Teilschnitt einer noch andern Einstellvorrichtung für die der Leitschaufeln; Fig. 8 ist ein Teilschnitt einer noch andern Konstruktion, bei welcher die wirksame Durchtrittsfläehe durch Änderung ihrer axia len Breite verändert wird;
Fig. 9 ist ein Schnitt nach der Linie 9-9 der Fig.8; Fig.10 ist eine schematische Darstellung der selbsttätigen Mittel für die Steuerung der einstellbaren Leitschaufeln in Abhängig keit der Drehzahl des Kompressors, und Fig. 11 ist eine weitere schematische Dar stellung der selbsttätigen Mittel für die Steue rung der einstellbaren Leitschaufeln in Ab- hängigkeit des Druckverhältnisses, bei wel chem der Kompressor arbeitet.
Der Zentrifugalkompressor kann z. B. als Lader einer Kolbenmaschine verwendet wer den, wie es schematisch in Fig. 1 dargestellt ist; die Maschine ist durch die Bezugszahl 15 angedeutet und der durch die Maschine ange triebene Kompressor ist von Zentrifugalbau- art mit zwei Stufen, von welchen die erste Stufe 16 Luft durch den Einlass 17 ansaugt und sie der zweiten Stufe 18 des Kompressors zuführt, welche ihrerseits die komprimierte Luft der Ansaugleitung der Maschine zuführt.. Der Kompressor kann über ein Drehzahl wechselgetriebe von der Maschine angetrieben werden, welches Getriebe z. B. drei verschie dene Übersetzungsverhältnisse einzustellen ge stattet.
Die Auswahl dieser Übersetzungsstu fen kann von Hand durch den Piloten des Luftfahrzeuges erfolgen, in welches die Ma schine eingebaut ist, oder die Auswahl kann selbsttätig in Abhängigkeit von der Höhe und andern Bedingungen erfolgen, bei welchen die Maschine arbeitet.
Wie vorstehend erwähnt ist, wird in dein Fall einer Kolbenmaschine die sekundliche Durchflussmenge der ersten Stufe des Kom pressors veränderlich gemacht, in dem Fall einer Verbrennungsturbine jedoch, -wie es schematisch in Fig. 2 dargestellt ist, speist die erste Stufe 19 des Kompressors die zweite Stufe 20, und es ist die sekundliche Durch flussmenge dieser zweiten Stufe, welche ver änderlich gemacht wird. Die komprimierte Luft wird von der zweiten Stufe des Kom- pressors dem Verbrennungssystem 21 zuge führt. Die Verbrennungsgase expandieren in der Turbine 22 und werden im Fall der Ver wendung als Strahltriebwerk aus der Turbine durch das Strahlrohr 23 ausgestossen.
Die Veränderung der sekundlichen Durch flussmenge eines Kompressors kann unabhän gig davon, ob es die erste Stufe wie in Fig.1 oder die zweite Stufe wie in Fig.2 ist, so erfolgen, wie es in Fig. 3 gezeigt ist.
Die Dif- fusorleitschaufeln 24 sind bei dieser Konstruk tion je auf einer Achse 25 in ungefähr der Mitte ihrer Länge schwenkbar gelagert, so dass, wenn die Schaufeln aus der in vollen Linien gezeigten Lage in die in strichpunk tierten Linien gezeigte Lage versehwenkt wer den, die Eintrittskante 26 jeder Schaufel sich der nächsten benachbarten Schaufel nähert, wodurch die wirksame Durcbtrittsfläche ver kleinert wird.
Eine alternative Konstruktion der einstell baren Schaufel ist in Fig.4 dargestellt. In diesem Fall ist jede Schaufel aus zwei Teilen hergestellt-, von welchen einer die Eintritts kante 27, den vordern Teil 28 der Schaufel und einen gegenüber dem vordern Teil dün neren Teil 29 des hintern Teils der Schaufel bildet. An diesen dünnern Teil 29 schliesst bündig der zweite Teil 30 der Schaufel an, welcher schwenkbar gelagert ist.
Wenn der Teil 30 einwärts gegen die näehste benaeh- barte Schaufel in die Lage 31 verschwenkt wird, wird die wirksame Durehtrittsfläehe herabgesetzt.
Bei noch einer andern Konstruktion von einstellbaren Leitschaufeln besitzt, wie in Fig.5 veranschaulicht, jede Schaufel 32 am Eintritt 33 eine zv Endrische Abrundung und ist um die Achse dieser Abrundung, sehwenk- bar gelagert, so dass ein konstanter Zwischen raum zwischen den Eintrittsenden der Diffu- sorsehaufeln und den Austrittsenden der Ro- torschaufein aufrechterhalten wird, und so dass jede Schaufel einwärts verschwenkt wer den kann,
um den Abstand zwischen ihrer konkaven Fläche 34 und dem Eintrittsende 33 der nächsten benachbarten Sehaufel zri ver mindern.
Bei den drei vorstehend beschriebenen Konstruktionen der einstellbaren Schaufel wird die Einstellung durch eine Schwenk bewegung jeder Schaufel oder eines Teils derselben bewirkt, und diese Sehwenkbewe- gung kann so bewirkt werden, wie es schema tisch in F!-.6 dargestellt ist.
.Jede Schaufel 35 ist mit einem Drehzapfen 36 versehen oder auf einem solchen angeord net, welcher sieh durch die Seitenwand der Dif- fusorkammer erstreckt und ein Kettenrad 37 trägt. Eine Kette 38 erstreckt sieh um den äanzen Satz von Kettenrädern, so dass sie miteinander bewegt werden können. Um den Zusammenbau und das richtige und gleiche Einstellen aller Schaufeln zu erleichtern, ist eine Spannvorriehtung 39 zwischen je zwei benachbarten Kettenrädern vorgesehen: die Hauptsteuerung kann auf irgendeine passende eise auf die Kette 38 ausgeübt werden, wie z.
B. durch eines der Kettenräder, welehes in Eingriff mit ihr steht.
Fig. 7 veranschaulicht, eine alternative Konstruktion von einstellbaren Diffusorsehau- feln, bei welcher die Schaufeln 40 kreisbogen förmig sind. Jede Schaufel 40 ist so angeord net, dass sie in Nuten 41 der Seitenwände der Diffusorkaminer gleiten kann, so dass die vordere Kante bis zum Umfang der Rotor- kamrner vorgerückt oder aus dieser heraus gezogen werden kann.
t m diese Bewegung hervorzurufen, ist. jede Schaufel mit einem oder mehreren Stiften 42 versehen, welche sich durch Öffnungen 43 in den Nuten 41 und durch die Seitenwände der Diffttsorkammer erstrecken, um in einen Schlitz 44 eines Rin ges 45 einzugreifen, welcher eine Verdreh bewegung in bezug auf die Diffusorkammer ausführen kann; diese Bewegung kann durch ein Antriebsgetriebe 46 bewirkt werden, wel- ehes in die auf dem Ring 45 gebildete Ver zahnung 47 eingreift.
Die Schlitze 44 sind angenähert radial im Ring 45 angeordnet, und diese Konstruktion ermöglicht, dass eine Ver- drehbewegun- des Ringes eine Bewegung der Stifte 42 längs der Öffnungen 43 bewirkt und dadurch die Einstellung der Schaufeln in den Nuten 41.
Fig. 8 und 9 veranschaulichen noch eine andere Einrichtung zur Veränderung der wirksamen Durchtrittsfläehe im Diffusor, und in diesem Fall erfolgt die Veränderung durch eine Änderung der axialen Breite des Durch trittes. Fig.8 ist ein radialer Schnitt. eines Teils des Kompressors mit den Rotorsehaufeln 48 und den Diffusorschaufeln bei 49.
Eine Seitenwand 50 der DiffLrsorkammer nimmt ein ringförmiges Glied 51 auf, welches die Diffu- sorschaufeln, die entweder ein Stück mit ihm bilden oder daran befestigt sind, trägt;
die andere Seiten wand 52 der Diffusorkammer ist jedoch mit einer Ausnehmung 53 ver sehen, in welcher ein Ring 54 liegt, der Schlitze aufweist, um die Enden der Schau feln 49 aufzunehmen und der axial zur Kom- pressorwelle aus der angedeuteten Lage, in welcher er beinahe ganz innerhalb der Aus- nehmung 53 liegt, auswärts gegen die andere Wand 50 der Diffusorkammer beweglich ist.
Die radial innere Ecke des Ringes 54 ist. bei 56 abgerundet, um eine günstige Einströ- inung der Luft von dem Rotor zu den Diffu- sorsehaufeln bei irgendeiner Einstellung des Ringes 54 zu erhalten.
Die axiale Bewegung des Ringes 54 wird dadurch bewirkt, dass an ihm eine Reihe von im Abstand angeordneten Vorsprüngen 57 vorgesehen sind, welche sich durch Öffnun gen 58 am Boden der Ausnehmung 52 er strecken und nahe ihrem äussern Ende je mit einem Einschnitt 60 versehen sind, in wel chen eine schraubenförmig angeordnete Rippe 61 eingreift, die auf einem Ring 62 vorhan den ist. Der Ring ist mittels eines Stirnrades 63 oder auf irgendeine andere geeignete Weise über einen kleinen Winkelbereich dreh bar, um die schraubenförmige Rippe 61 zu verstellen und damit über den Schlitz 60 im Vorsprung 57 auch den Ring 54 in axialer Richtung einzustellen.
Bei der Steuerung der einstellbaren Leit- schaufeln genügt es gewöhnlich, sie so anzu ordnen, dass sie nur in den beiden Grenz- lagen eines bestimmten Bewegungsbereiches eingestellt werden können, das heisst auf eine maximale oder minimale Durchtrittsfläche, aber es ist zu beachten, dass es auch möglich ist, Zwischeneinstellungen vorzusehen.
Bei ge wissen Konstruktionen kann eine automa tische Steuerung vorgesehen sein, und eine Ausführungsform einer solchen Einrichtung ist schematisch in Fig. 10 dargestellt. GTemäss dieser Figur treibt die bei 64 angedeutete Ma schine einen Zentrifugalregulator 65, welcher das Steuerventil 66 eines hydraulischen Servo motors 67 betätigt.
Der Servomotor wird durch eine Pumpe 68 gespeist, die durch die lZaschine angetrieben wird, und der Kolben 69 des Servomotors ist bei dieser besonderen Konstruktion mit einem Kniegelenk eines Kniehebels verbunden, der einen bei 71 ge lagerten Lenker 70 und einen bei 73 gelager ten in seiner Länge durch eine Feder verän derbaren Lenker 72 aufweist. Die Anwen dung des unter Federkraft. stehenden Len kers 72 gewährleistet., dass der Kniehebel in die beiden Grenzlagen bewegt wird, wenn im mer der Kolben 69 ihn über seine gestreckte Lage hinaus bewegt.
Der Lenker 70 ist am Drehzapfen 71 einer Diffusorleitschaufel 7s befestigt, so dass sie, wie z. B. in der in bezug auf Fig.3 beschriebenen Weise versehwenkt wird; es ist jedoch zu beachten, dass der Servomotor bei irgendeiner Konstruktion an gewendet werden kann, welche eine Drehbewe gung der Leitschaufeln bedingt, oder er kann bei irgendeiner passenden mechanischen Ver bindung vom Kolben 69 angewendet werden, um das Getrieberad 46 der Fig. 7 oder 63 der Fig.8 zu betätigen.
Wie in Fig.10 gezeigt ist, wird durch die Verschwenkbewegung des Lenkers 70 die Diffusorleitschaufel ver- schwenkt, mit welcher er verbunden ist; und eine gleiche Bewegung wird auf alle andern Schaufeln durch ein einfaches Gestänge 75 übertragen.
Wenn der Kompressor durch ein Drehzahl wechselgetriebe angetrieben wird, ist es er- wünscht, dass keine Verstellungen der Diffn- sorschaufeln bei niedrigen und mittleren Dreh zahlbereichen vorgenommen werden, da diese Bereiche normalerweise nur unter Bedingun gen benutzt werden sollten, unter welchen die maximale sekundliche Durchflussmenge des Kompressors nicht benötigt wird.
Zu diesem Zweck kann, wie in Fig.10 gezeigt ist, eine Kurvenscheibe 76 vorgesehen sein, welche auf das Ventil 66 wirkt; die Kurvenscheibe 76 ist mit dem Wechselgetriebe so verbunden, dass das Ventil 66 nicht verschoben werden und damit keine Leitschaufelverstellung ein treten kann, solange die Übersetzungsstufe für niederen Drehzahlbereich oder die Stufe für mittleren Drehzahlbereieh eingeschaltet ist.
Eine alternative Konstruktion der selbst tätigen Steuereinrichtung ist in Fig.11 darge stellt, bei welcher die Einstellung der Diffii- sorschaufeln durch das Verhältnis von An saug- zu Förderdruck des Kompressors ge steuert wird. Zii diesem Zweck sind zwei Kammern vorgesehen, von welchen eine,<B>77,</B> dem Ansaugdruck des Kompressors und die andere, 78, dem Förderdruck ausgesetzt. ist.
Irgendeine geeignete Vorrichtung, wie eine evakuierte Kapsel 79 oder ein Kolben, ist in jeder Kammer vorgesehen, welche auf den darin herrschenden :Druck anspricht, und diese zwei Vorrichtungen sind mit gegenüberliegen den Enden eines Hebels 80 verbunden, wel cher auch mit dem Steuerventil 81 eines Servomotors verbunden ist.
Die zwei Arme des Hebels sind in der Länge ungleich, indem das Verhältnis ihrer Längen gleich dem Druckverhältnis ;-eniaclit ist, bei welchem es gewünscht wird, dass das hydraulische Steuer ventil betätigt werden soll. Der kürzere Arm des Hebels ist. mit der Vorrichtung verbun den, welcher dem Förderdruck des Kompres sors ausgesetzt ist. Wenn es z. B. erwünscht ist, die Steuerung zu betätigen, wenn ein Druckverhältnis von 6:1 im Kompressor er reicht wird, dann werden die zwei Arme des Hebels auch im Verhältnis von<B>6:1</B> gemacht.
Solange das Druckverhältnis des Gebläses we niger als 6:1 ist, überwiegt das von der dem Ansaugdruck ausgesetzten Kapsel 79 erzeugte Drehmoment, so dass der Hebel aus der dar gestellten Lage im Uhrzeigersinn verdreht. wird und das Steuerventil 81 nach abwärts bewegt. Wenn das Druckverhältnis 6:1 er reicht., sind die beiden Druekniomente ausge glichen; wenn schliesslich das Druckverhält nis 6:1 übersteigt, wird der Hebel im Gegen uhrzeigersinn verseliwenkt und das Steuer ventil 81 wieder nach oben bewegt. Der Hebel ist gleich wie in Fig. 10 mit dem Steuerventil 81 eines hydraulischen Servo motors verbünden.
Eine sehwache Feder 82 kann vorgesehen sein, um dem Hebel eine Vorbelastung zu erteilen.